新能源汽車高壓線束在機械外載下失效試驗及仿真研究

趙 楊，徐小飛，吳海龍，葛宇龍

（1.清華大學蘇州汽車研究院（相城），蘇州 215000；2.上海汽車集團股份有限公司技術中心，上海 201804）

前言

近年來，新能源汽車的市場占有率及產銷量逐年提高，在碰撞事故中電池系統短路、起火、爆炸的事故也逐年增多，動力電池系統的安全研究已成為新能源汽車推廣和普及中急需解決的關鍵問題。

高壓線束作為新能源汽車電池系統的關鍵零件，連接著電池、配電箱及動力裝置等，主要功能是安全傳遞電流。在碰撞工況下高壓線束會承受柱面擠壓、楔面擠壓、扭拽等多種機械外載，很可能導致線束破裂失效，引起高壓系統短路，造成起火、爆炸等后果，嚴重威脅乘員及車輛的安全。研究高壓線束在機械外載下的失效特性和仿真方法對于高壓系統電安全評估具有重要意義。

已有很多學者對高壓線束在機械外載下的失效特性進行了研究。李健對高壓線束分別進行了剪切和穿刺試驗，分析了加載速度、沖頭直徑等對線束力學響應和失效位移的影響。鄭昊天等通過對高壓線束進行不同工況下靜態剪切和穿刺試驗，提出線束應重點考慮外部絕緣層的失效，同時避免小面積擠壓和穿刺工況。郭建保等對高壓線束進行了交叉擠壓、棱邊擠壓和剪切3種靜態試驗，并利用LS?DYNA中的 MAT24號材料建立了高壓線束等效導體?等效絕緣層的雙組份模型與試驗進行仿真對標。接桂利等利用整車全寬碰撞仿真分析了高壓線束可能遭受的機械外載工況，并評估了失效風險。

現有文獻對高壓線束在機械外載下失效特性的研究大多是靜態試驗工況，缺少動態下線束的力學和失效特性研究。現有線束仿真模型也只與靜態試驗工況進行了對標，并不能模擬線束在動態工況下的力學和失效特性。本文基于高壓線束在電池系統運行過程中可能遭受的擠壓外載，設計了直徑為5 mm的柱面沖頭（以下簡稱D5）和夾角為60°的楔面沖頭（以下簡稱V60）兩種工況動靜態下的擠壓試驗，分析了加載速度、加載工況對線束力學和失效特性的影響。并開展線束的3種主要組份材料護套、絕緣層和導體的力學試驗，分別標定其材料模型。本文建立的高壓線束單組份均質化模型和導體?等效絕緣層雙組份模型均與動靜態工況下的試驗結果進行了對標，兩種模型分別利用單元刪除和等效絕緣層最內層單元刪除來預測線束失效，結果表明兩種模型均能準確仿真線束在動靜態擠壓工況下的力學特性和失效特性，可用于新能源汽車電池系統的碰撞安全設計和碰撞電安全評估。

1 試驗設計與方法

1.1 試驗材料

本文試驗所用圓柱形高壓線束如圖1所示，線束外徑15.8 mm，從外至內依次為護套（厚度1.35 mm）、隔離層（厚度0.02 mm）、屏蔽層（厚度0.5 mm）、絕緣層（厚度1.18 mm）和導體銅芯（直徑9.7 mm）。其中，護套是橡膠材料，主要用于保護整個線束；隔離層為一層鋁箔；屏蔽層是由銅絲編織而成，用于屏蔽導體中由于電流變化而引起的電磁波；絕緣層為橡膠材料，用于隔離電流；導體由銅絲纏繞而成，用于傳遞電流。

圖1 圓柱形高壓線束

1.2 試驗設計與方案

文中分別針對高壓線束整體結構和線束組份材料進行試驗，為了驗證試驗數據的有效性，文中每種類型試驗均重復3次，試驗類型及參數見表1。考慮到隔離層和屏蔽層對線束結構的承載能力影響很小，本文僅對護套、絕緣層和導體3種組份材料進行力學性能試驗和材料模型標定。對護套和絕緣層這兩種橡膠材料分別進行單向拉伸和壓縮試驗，對導體進行平面壓縮和D15柱面壓縮試驗，相應的試驗類型及試件見圖2和圖3。

圖2 線束組份材料試驗

圖3 線束組份材料試樣

表1 試驗類型及參數

靜態加載（本文使用1.5 mm/min）用于獲取線束組份材料和結構在靜態下的力學特性。根據Hampton等研究結果，有近50%汽車碰撞事故發生在速度0~20 km/h（5.56 m/s）之間，考慮到車身周圍的吸能結構，車內部件承受的碰撞速度會有所降低，本文使用4 m/s（錘頭配質量40 kg）來進行線束結構的動態試驗。

線束結構試驗中將線束切割成50 mm長度，基于高壓線束在電池系統運行過程中可能遭受的典型圓柱面和較尖銳的楔形面的擠壓外載，本文分別使用D5柱面和V60楔面沖頭在動靜態兩種速度下對線束進行加載，如圖4所示。

圖4 線束結構擠壓試驗

1.3 試驗設備

本文的主要試驗設備如圖5所示，高壓線束的靜態擠壓和3種組份材料的試驗均在萬能試驗機上進行，線束的動態擠壓試驗在落錘試驗臺上進行。靜態試驗使用工業CCD相機拍攝，動態試驗使用高速相機拍攝，所有試驗統一使用非接觸變形測量系統計算試驗過程中試件的變形、錘頭位移等信息。圖5中動態應變儀和電池測量儀用于采集動態試驗中傳感器的載荷信號以及監測沖頭與線束導體的短路。

圖5 主要試驗設備

線束結構的動靜態擠壓試驗中沖頭與線束導體短路監測方案見圖6。靜態擠壓利用萬用表的“歐姆檔”分別連接沖頭和線束中間導體，試驗中沖頭與導體接觸時，萬用表的示數由無窮大變為一個較為穩定的電阻值；動態擠壓利用電池測量儀內的10 V直流電源分別連接沖頭和線束導體，并通過動態應變儀實時采集電壓信號，當沖頭與導體接觸時，電壓信號由接近10 V變為接近0。靜態試驗短路監測時，由于相機將萬用表的示數與實驗過程一起拍照記錄，使得對短路的判斷簡潔清晰，但由于萬用表對于輸入的信號存在一定的反應時間及靜態相機采樣頻率的限制，此種監測方法不適用于動態；動態短路監測方案相比于靜態，由于動態應變儀及采集卡的采樣頻率遠高于靜態，因此可以準確監測線束在動態下的短路，但是無法直觀地從相機拍攝的照片中判斷出線束的短路時刻。

圖6 線束結構擠壓試驗沖頭與導體短路監測方案

2 試驗結果與仿真對標

根據線束組份材料和線束結構試驗得到不同類型試驗結果。本文選用LS?DYNA軟件進行線束的仿真建模，模型均使用體單元網格，采用軟件中不同的材料模型來表征線束的組份材料和線束整體的力學響應，以及破裂短路現象，組份材料及兩種仿真模型的主要標定參數如表2所示。

表2 組份材料及兩種仿真模型主要標定參數

護套和絕緣層兩種組份材料標定LS?DYNA的*MOONEY?RIVLIN_RUBBER（MAT27）號 材 料 模型。對導體使用*PIECEWISE_LINEAR_PLASTICIT（MAT24）號材料模型標定。線束的均質化模型選用*MODIFIED_HONEYCOMB（MAT126）號材料模型。雙組份模型外部等效絕緣層采用MAT27號材料模型，內部導體采用MAT24號材料模型。兩種模型均通過*MAT_ADD_EROSION添加相關失效參數。

2.1 組份材料試驗結果與仿真對標

2.1.1 護套試驗與仿真對標

如圖7所示，護套的靜態拉伸和靜態壓縮3次試驗均具有較好的重復性，將拉伸與壓縮試驗曲線聯合擬合出MAT27材料卡片中的工程應力應變曲線，并按要求輸入其它參數。仿真使用實體網格建模，仿真與試驗對標結果表明本文使用MAT27號材料建立的護套模型能較好地表征出護套在大變形下的力學特性。

圖7 護套試驗與仿真結果

2.1.2 絕緣層試驗與仿真對標

絕緣層的試驗結果表明其性能與護套相近，仿真對標方法與護套類似，試驗及仿真結果見圖8。

圖8 絕緣層試驗與仿真結果

2.1.3 導體試驗與仿真對標

導體使用MAT24建立實體網格模型，圖9展示了平面壓縮和D15柱面壓縮的仿真與試驗對標結果，表明MAT24號材料建立的導體模型能較好地模擬出其在壓縮狀態下的力學特性。

圖9 導體試驗與仿真結果

2.2 線束結構試驗結果與仿真對標

本文研究開發了線束結構的仿真方法，分別為雙組份模型和均質化模型。

雙組份模型即根據線束的真實結構建立的模型，模型由導體和等效絕緣層構成，導體按實際尺寸建模，等效絕緣層的尺寸為導體外部所有組份材料之和，網格大小約為1 mm，如圖10所示。其中導體材料采用MAT24號卡片模擬，等效絕緣層材料采用MAT27號卡片模擬，為了表征其失效特性，外部等效絕緣層通過線束試驗短路時刻逆向標定出失效參數剪應變，以最內層單元刪除作為線束的短路判據。同時為了滿足靜動態工況適用性，通過動態試驗標定出線束內部導體的應變率效應。

圖10 線束雙組份模型

均質化模型忽略了線束內部結構，基于線束試驗表現出的力學特征，選取并標定適用的本構模型。本文采用MAT126模型來表征線束的均質化特性，模型如圖11所示，網格大小約為2 mm。使用線束準靜態擠壓試驗結果提取強化特性曲線，再利用線束動態試驗標定應變率效應曲線，最后通過線束結構試驗短路時刻逆向標定出失效參數主應力和等效應力，兩者同時達到時單元刪除，以單元刪除作為線束的短路判據。

圖11 線束均質化模型

2.2.1 導體?等效絕緣層雙組份模型標定

圖12展示了線束在D5柱面和V60楔面兩種工況動靜態擠壓下的試驗及雙組份模型仿真結果。對比圖12（a）與圖12（b）兩種工況下的載荷位移曲線可以看出，該模型可以較準確地模擬出線束在短路前的力學響應，但由于仿真采用了單元刪除這一失效形式，單元刪除后模型的承載能力降低，導致短路后仿真的力學響應弱于試驗。同時，加載速度的提高會使線束的力學響應升高，峰值力提前。對比試驗中線束的短路位移可以發現，線束在V60動靜態工況下的平均短路位移約為4.4和6.2 mm，顯著小于D5工況下的7.5和9.1 mm，表明線束的短路行為與沖頭形狀和加載速度高度相關，較高的加載速度和較小的擠壓面積均會減小短路位移。

圖12 線束雙組份模型仿真對標結果

線束的雙組份模型仿真結果表明，在D5和V60兩種工況動靜態加載下，單元刪除前載荷位移曲線與試驗均較吻合，說明該模型可以較準確地模擬出線束在不同工況下的力學響應。在V60工況下動靜態仿真等效絕緣層最內層單元刪除時刻的位移分別為4.2和6.2 mm，與試驗結果4.4和6.2 mm基本一致，表明該仿真模型可以準確預測線束在V60等小面積擠壓工況下的力學和失效特性。在D5工況下動靜態仿真的失效位移分別為6.0和7.5 mm，相對試驗結果7.5和9.1 mm有所提前，說明在D5柱面擠壓工況下該仿真模型的失效判據較保守。

2.2.2 均質化模型標定

圖13展示了線束均質化模型仿真與試驗結果對比。通過載荷位移曲線可以看出，該模型可以準確模擬出線束在不同工況動靜態加載下短路前的力學響應。與雙組份模型相比，均質化模型的網格大，導致均質化模型短路單元刪除后模型的力學響應降低的更多，因此短路后的力學響應與試驗差別更加明顯。兩種工況靜、動態試驗后的試件形貌見圖14。

圖13 線束均質化模型仿真對標結果

圖14 線束試驗后試件

仿真在D5動靜態工況下的失效位移分別為4.4和6.0 mm，小于試驗的7.5和9.1 mm，而在V60工況下的失效位移分別為4.1和6.1 mm，與試驗結果4.4、6.2 mm十分接近。結果表明，該模型可以準確模擬出線束在不同加載工況和不同加載速度下的力學特性，在D5柱面擠壓工況下，該模型的失效判據相對保守，而在V60等小面積擠壓工況下，失效判據準確。

2.2.3 線束模型仿真精度分析

高壓線束在D5和V60兩種工況動靜態加載試驗下的失效位移及兩種仿真模型的失效位移統計見表3。對比結果顯示在V60動靜態工況下，兩種模型的失效位移與試驗結果非常一致，失效位移偏差均在8%以內，兩種模型均可準確地預測該種小面積擠壓工況下的短路風險。在D5動靜態工況下，兩種模型失效位移相對試驗均有所提前，在動態D5工況下兩種模型失效位移與試驗結果偏差分別為20.01%和41.33%，均質化模型失效位移較雙組份模型更加保守。兩種線束仿真模型的短路時刻見圖15。

表3 線束結構試驗與仿真失效位移對比

圖15 兩種模型短路時刻

總體來看，兩種模型的失效判據均相對保守，在最惡劣小面積擠壓工況（V60）下的預測精度較為準確，仿真結果可以作為高壓線束在機械外載下短路失效的保守判據。

兩種模型相比，均質化模型的網格尺寸大、材料種類少，從而仿真的計算效率高。雙組份模型的網格小、組份材料及建模更加精細，對于線束短路之后力學響應的模擬也優于均質化模型，但仿真計算效率不及均質化模型。因此，在兩種模型的實際運用中，雙組份模型適合用于零部件級的仿真，而均質化模型更適用于子系統及整車級別的仿真分析中。

3 結論

本文設計并開展了高壓線束組份材料的力學性能試驗和高壓線束結構在D5柱面、V60楔面兩種工況準靜態、動態加載下的力學試驗，獲取了線束組份材料的力學特性，以及線束結構在不同外載工況和加載速度下的力學和失效特性，為高壓線束在機械外載下的失效特性研究提供了較好參考。基于試驗結果，建立了線束導體?等效絕緣層雙組份和均質化兩種有限元仿真模型，仿真結果與線束在不同工況機械外載下的試驗結果進行了對標，結論及展望如下。

（1）高壓線束在機械外載下有很強的動態效應，動態外載會顯著提高線束的力學響應。線束的失效特性與外載工況、加載速度高度相關。提高加載速度、尖銳物擠壓（V60）均會降低線束的失效位移，增大失效風險。電動汽車高壓線束在車內布置時應該遠離尖銳物體，避免遭受到尖銳物的擠壓。

（2）本文建立的高壓線束兩種有限元仿真模型均可較準確地模擬出線束在不同工況動靜態加載下的力學特性和失效特性。兩種模型采用的單元刪除這一失效判別依據，在V60楔面擠壓工況下兩種模型的失效位移均與試驗結果十分接近，在D5柱面擠壓工況下兩種模型的失效位移相對試驗均有所提前，結果相對保守，可以為安全設計提供一定的余量。在新能源汽車碰撞安全仿真中，兩種模型的仿真結果可作為高壓線束短路失效的判別依據，對電安全風險進行評估。

（3）基于計算效率及精度的考慮，本文建立的雙組份模型更適用于零部件級的仿真，而均質化模型更適用于子系統及整車級別的仿真中。

（4）本文對于高壓線束的試驗及仿真研究均為擠壓工況，并未開展線束在拉拽、剪切等其他工況下的試驗，對于此類工況缺少線束的失效判據，有待后續研究。